AgZnO/полиоксометаллат нанокомпозиты: бифункциональная фото каталитично-адсорбционная система для эффективного удаления базисного мадженты

Аннотация

Мы сообщаем о двойной-функциональном нанокомпозите, AgZnO/полиоксометаллаты (AgZnO/POMs), синтезированном сонохимическим маршрутом, связывающим гибридные AgZnO наночастицы с Cu-базированными полиоксометаллатами. Передаточная электронная микроскопия (ТЭМ) подтверждает равномерное, узко распределенное размера частиц (~19,5 нм) без агломерации, в то время как рентгеновская дифракция (XRD) и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) валидируют кристаллические фазы и элементный состав композита. Ультрафиолетово-видимая (UV-Vis) и фото люминесцентная (ПЛ) спектроскопия раскрывают превосходные оптические характеристики. В водных средах композит удаляет 94,13 % ± 0,61 % трифенилметанового красителя базисный маджента (BM) через одновременную адсорбцию и фото катализа, следуя псевдо-второго порядка кинетике. Удивительно, эффективность удаления остается практически неизменной после пяти циклов повторного использования, подчеркивая стабильность материала. Эти находки демонстрируют, что AgZnO/POMs нанокомпозиты являются перспективными кандидатами для обработки стойких органических красительных сточных вод.

Введение

Промышленные выбросы все чаще содержат токсичные, стойкие органические красители такие как базисный маджента (BM), трифенилметановый производный, используемый в текстиле, кожевенном производстве и диагностической окраске. Плохая биодеградабельность, высокая токсичность и канцерогенность BM создают серьезные риски для водных экосистем и здоровья человека. Конвенциональные стратегии удаления полагаются в основном на адсорбцию, однако эти подходы страдают от низкой емкости, медленной кинетики и ограниченной регенерабельности. Полиоксометаллаты (POMs), известные своей структурной универсальностью, термической стабильностью, настраиваемой кислотностью и обратимым редокс-поведением, вышли как мощные адсорбенты для разнообразных красителей. Комбинированные с полупроводниковыми наночастицами, POMs могут улучшить адсорбционную эффективность и ввести фото каталитическую функциональность.

Ag-допированные ZnO наноструктуры демонстрируют усиленную фото каталитическую активность из-за роли Ag как электронного стока и его способности улучшить разделение зарядов и расширить световое поглощение. В этом исследовании мы интегрируем AgZnO наночастицы с Cu-базированными POMs для изготовления бифункционального нанокомпозита (AgZnO/POMs), использующего как адсорбцию, так и фото катализ для удаления BM. Наша работа демонстрирует превосходную эффективность удаления, кинетическое поведение и рециклируемость, устанавливая AgZnO/POMs как надежную платформу для очистки краситель-загрязненных сточных вод.

Материалы и методы

Материалы

Ацетат серебра, ацетилацетонат цинка(II), PEO-PPO-PEO, октиловый эфир, 1,2-гексадекандиол, перхлорат меди, молибдат натрия дигидрат, пиридинкарбоксаммид и NaOH получены из Aladdin (Шанхай). Все реактивы использовали без дополнительной очистки.

Инструментарий

Структурные и морфологические анализы выполняли XRD (Bruker X'Pert Pro) и ТЭМ (JEOL JEM-2100). Оптические свойства зондировали UV-Vis (Hitachi U4100) и ПЛ (Hitachi F7000). ФТИР спектры записывали Nicolet Avatar 360. XPS данные получали на Thermo Fisher ESCALAB 250XI с Al Kα излучением.

Синтез AgZnO/POMs нанокомпозитов

AgZnO наночастицы готовили нано-микроэмульсионным маршрутом: в трехшейной колбе октиловый эфир (10 мл), Zn(acac)₂ (0,0989 г), 1,2-гексадекандиол (0,6468 г), ацетат Ag (0,0259 г) и PEO-PPO-PEO (0,7874 г) смешивали и нагревали до 125 °C, затем быстро до 280 °C. Продукт изолировали охлаждением, промывкой и сушкой. Cu-POMs синтезировали гидротермально: перхлорат меди (0,093 г), пиридинкарбоксаммид (0,061 г) и 15 мл деионизированной воды перемешивали; Na₂MoO₄·2H₂O (0,24 г) добавляли при pH 3, давая синий осадок. Наконец, 50 мг POMs и 5 мг AgZnO диспергировали в 5 мл вода/этанол, ультразвуковы для образования однородной смеси и сушили для получения AgZnO/POMs нанокомпозита.

Эксперименты по удалению красителя

15 мг л⁻¹ BM раствор (pH 6,3) готовили. 5 мг AgZnO/POMs вводили в 40 мл красительного раствора, перемешивали при комнатной температуре и облучали либо 36-Вт UV лампой (365 нм) либо 500-Вт ксеноновой лампой. Пробы забирали в определенные интервалы, центрифугировали, и остаточная BM концентрация определялась UV-Vis при 545 нм.

Статистический анализ

Все эксперименты проводили в триplicates. Результаты представляют как mean ± SD, значимость оценивали односторонним ANOVA (p < 0,05).

Результаты и обсуждение

Структурная и морфологическая характеристика

ТЭМ изображения раскрывают равномерное, монодисперсное распределение частиц со средним диаметром 19,5 нм (Рисунок 1). HRTEM показывает решетчатые интервалы 1,44 Å (Ag 220) и 2,47 Å (ZnO 101), подтверждая сосуществование AgZnO и POM фаз. Элементное картирование подтверждает пространственное распределение P, O, Ag, Cu, Mo, N, C и Zn, валидируя успешную композитную формирование.

XRD паттерны демонстрируют характерные пики Ag (38,2°, 44,4°, 64,6°, 77,4°) и ZnO (31,7°, 34,5°, 36,5°, 47,6°, 56,7°, 62,8°, 67,7°), вместе с POMs пиками (8,7°–30,7°). Композитный спектр сохраняет все эти признаки, подтверждая фазовую целостность.

ФТИР спектры показывают отличительные вибрационные полосы, соответствующие P–O (1120–1008 см⁻¹), Mo–O (905, 662 см⁻¹), Zn–O (512 см⁻¹) и лигандным моети (1680–1133 см⁻¹), дополнительно подтверждая композитную сборку.

XPS анализ подтверждает наличие Zn²⁺, Ag⁰ (смещенный из-за Ag-ZnO взаимодействия), Cu²⁺, Mo⁶⁺ и P⁵⁺ видов, указывая на ожидаемые химические состояния.

Оптические свойства

UV-Vis поглощение композита показывает четыре полосы: 209, 260, 365 и 380–420 нм. 365 нм полоса соответствует ZnO, в то время как 380–420 нм указывает на Ag-ZnO гибридизацию и усиленный межфазный зарядовый перенос. ПЛ спектры при возбуждении 241 нм и 380 нм демонстрируют эмиссию при 393 нм (POMs) и 465/489/596 нм (AgZnO), свидетельствуя об эффективном разделении зарядов и сниженной рекомбинации.

Производительность удаления BM

Оптимизация выявила 5 мг AgZnO/POMs и 15 мг л⁻¹ BM как оптимальные условия. Композит достиг 94,13 % ± 0,61 % удаления BM под UV облучением, превосходя AgZnO (73,77 % ± 1,17 %) и POMs в одиночку (55,27 % ± 0,83 %). Под видимым светом композит сохранял превосходную производительность, подчеркивая свою широкоспектральную активность.

Адсорбционно-фото каталитические кинетики следуют псевдо-второго порядка моделям (R² = 0,9997 темнота, 0,9736 UV), указывая на химисорбцию-доминантное поглощение и эффективный электронный перенос. Удельная площадь поверхности композита (BET = 33,5 м² г⁻¹) превосходит AgZnO в одиночку (28,7 м² г⁻¹), объясняя усиленную адсорбционную емкость.

ROS-квинчирующие эксперименты с 1,4-бензохиноном и изопропанолом снизили удаление BM до 52,17 % и 57,70 % соответственно, подтверждая ключевые роли супероксида и гидроксил-радикалов в пути деградации.

Рециклируемость и стабильность

За пять последовательных циклов эффективность удаления снизилась только на 7,33 % (с 94,13 % до 86,80 %), с 96,3 % коэффициентом восстановления. ФТИР спектры до и после циклирования остались неизменными, указывая на отличную структурную целостность и устойчивость к фото коррозии.

Заключение

AgZnO/POMs нанокомпозиты демонстрируют синергетическое сочетание адсорбции и фото катализа, достигая >94 % удаления опасного красителя базисный маджента сохраняя стабильность при многократном использовании. Их надежные оптические свойства, высокая площадь поверхности и эффективное разделение зарядов делают их перспективными кандидатами для промышленной очистки сточных вод от трифенилметановых красителей.